KR200288939Y1 - 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사각 또는 원통형상의 가스챔버를 사용함으로써 방전가스의 소비량을 줄이고 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치에 관한 것이다.

본 고안의 구성은 방전가스 수용공간을 형성하며 가스분사부를 갖는 밀폐된 중공체의 가스챔버와; 외부로부터의 방전가스를 상기 가스챔버 내부로 공급하는 가스공급관과; 상기 챔버 내부에 전류를 공급하여 방전현상에 의해 플라즈마가 발생하도록 하는 전극으로 이루어진다.

본 고안에 따르면, 방전가스의 소비량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전류를 제한하여 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 높은 입력전압에서도 안정적이고 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Description

상압플라즈마를 이용한 표면처리장치{Apparatus for Surface Treatment Using Atmospheric Pressure Plasma}

본 고안은 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 사각 또는 원통형상의 가스챔버를 사용함으로써 방전가스의 소비량을 줄이고 또한 전류제한으로 글로우 형태에서 아크로의 천이가 일어나는 현상을 방지하여 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치에 관한 것이다.

플라즈마란 소위 '제 4의 물질상태'라고 알려져 있으며, 우주의 99%가 플라즈마 상태로 이루어져 있다는 사실 또한 이미 잘 알려져 있다. 물질 중 가장 낮은 에너지 상태는 고체이다. 이것이 열(에너지)을 받아서 차츰 액체로 되고 그 다음에는 기체로 전이를 일으킨다. 기체에 더 큰 에너지를 받으면 상전이와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수는 거의 같아서 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 플라즈마 상태로 변환한다.

플라즈마 상태는 그 밀도와 온도를 그 주 파라미터로 사용하며 이 두 가지 요소에 따라 우리주변에서도 쉽게 찾아 볼 수 있는 플라즈마 상태들, 즉, 네온사인이나 형광등으로부터 시작하여 북극의 오로라, 태양의 상태, 핵융합로에서의 플라즈마 상태 등 광범위하게 분류되어질 수가 있다.

많은 산업 분야에서 활발히 사용되어지는 플라즈마는 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각(Plasma Etch) 및 증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에서 이용되고 있다.

또한 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.

플라즈마 기술에는 진공챔버를 사용하는 진공플라즈마와 수천 도의 고열을 발생시키는 아크성의 방전으로 금속스프레이코팅 등에 사용되는 고열플라즈마 및 상온 내지 200℃의 낮은 온도에서 사용 가능한 상압플라즈마기술이 있다.

상기 진공 플라즈마는 별도의 챔버를 사용하므로 대형처리가 어렵고 입자의 충돌에너지가 커서 처리물의 표면이 자연가열 된다는 문제점이 있고 이온화비율이 낮아서 레디컬 농도(Radical Density)가 상대적으로 작다는 단점이 있으므로 레디컬 및 이온의 농도가 높고 고가의 반응용기가 필요 없다는 장점을 갖는 상압플라즈마가 공업적으로 많이 이용되고 있다.

상압플라즈마를 이용하는 장치에는 플라즈마를 이용하여 표면처리를 하거나 금속 등의 표면을 세정하는 장치가 대표적인 것이라 할 수 있는데, 상압플라즈마를 발생시키거나 이를 이용하는 장치에 관한 선행기술은 국내 특허공개공보 제 2001-0084566호(2001년 9월 6일 공개 : 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치), 국내 특허공개공보 제 2002-0026705호(2002년 4월 12일 공개 : 다공성 전극을 이용하는 상압플라즈마 장치) 및 미국특허출원 제 1997-708727호(1기압에서 글로우 방전 플라즈마로 표면을 세척하는 방법 및 장치) 등에 잘 나타나 있다.

도 1은 종래의 유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마장치를 보여주는 도면이다. 유전체 장벽 방전 플라즈마장치는 유전체의 충전 및 방전현상에 의한 상압 방전을 이용하는 것으로서 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 금속으로 된 두 전극을 서로 마주보게 설치하고, 상기 두 전극중 한쪽 전극은 전원공급장치와 연결되게 하고 다른 쪽 전극은 접지시키며 상기 금속전극이 서로 마주보는 면에는 유전체 판을 부착하여 구성된다.

도 2는 종래의 다공성 유전체 판을 포함하고 있는 유전체 장벽 방전 플라즈마장치를 보여주는 도면이다. 이 기술에 따르면, 다수개의 구멍을 갖는 유전체판을 사용함으로써 그 구멍을 이용하여 자체 안정화(self-stabilization)를 위한 음극 강하(cathode fall)를 발생시킴으로써 글로우-아크 방전 사이의 불안정을 줄일 수 있는 플라즈마장치를 보여준다.

그러나 상기와 같은 종래의 상압 플라즈마 장치는 금속전극간에 거리차로 인해 상당히 높은 방전전압이 요구(유전체 장벽 플라즈마에 비하여 낮은 방전전압)되며, 이러한 높은 방전으로 인하여 플라즈마 상태가 저온 플라즈마 형태가 아닌 고온 플라즈마 형태로 천이되기 쉽다는 문제점이 있었다. 즉 글로우 형태의 플라즈마 발생이 아니라 아크형태의 플라즈마가 발생된다는 것이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 고안의 목적은 플라즈마 장치에 사용되는 헬륨(He) 등의 방전가스가 외부로 방사되지 않도록 튜브형태의 챔버를 사용하여 방전가스를 챔버 내부에 가두어 둠으로써 방전가스의 소비량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는데 있다.

또한 본 고안의 또 다른 목적은 종래의 유전체에 구멍을 갖도록 하는 커필러리(capillary) 방식의 플라즈마 장치에 있어서, 모세관 구멍의 모양이 유전체의 중간부분에서 꺽어지도록 하여 금속전극의 방전가스에 대한 노출을 제한 및 전류 제한 길이를 증가하여 아크형태의 플라즈마의 발생을 억제함으로써 안정적인 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마장치를 보여주는 도면,

도 2는 종래의 다공성 유전체 판을 포함하고 있는 유전체 장벽 방전 플라즈마장치를 보여주는 도면,

도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 단면도,

도 4는 본 고안의 일실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 사시도,

도 5는 본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 단면도,

도 6은 본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 사시도,

도 7은 본 고안에 따른 플라즈마장치의 단면도,

도 8은 본 고안에 따른 플라즈마장치의 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스챔버 20, 20a, 20b : 유전체

30, 30c : 전원공급부 전극 30a, 30b : 접지전극

40 : 가스분사부 50 : 가스공급관

60 : 가스공급공 80 : 전원

90 : 이동수단 100 : 상부전극

110 : 하부전극 140 : 모세관 구멍

본 고안은 상기의 목적을 달성하기 위하여 방전가스 수용공간을 형성하며 가스분사부를 갖는 밀폐된 중공체의 가스챔버와;

외부로부터의 방전가스를 상기 가스챔버 내부로 공급하는 가스공급관과;

상기 가스챔버 내부에 전원을 공급하여 방전현상에 의해 플라즈마가 발생하도록 하는 전극으로 구성된다.

상기 가스챔버는 소정의 길이를 갖는 원통형 또는 사각형태의 튜브모양이며 상기 가스분사부는 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가스챔버는 절연성질을 갖는 유전체인 것을 특징으로 한다.

상기 가스공급관은 소정의 길이를 가지며 상기 가스챔버보다 반지름이 작은 원통형의 튜브모양이며 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되는 가스 공급을 위한 가스공급공을 갖는 것이 바람직하다.

상기 가스공급관은 절연성질을 갖는 유전체인 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 전원공급부 전극과 접지전극으로 구성되어 있으며, 상기 전원공급부 전극은 상기 가스챔버 내측 하부영역에 챔버의 길이방향을 따라 평행하게 위치하고,

상기 접지전극은 이동수단의 하부에 부착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전원공급부 전극은 원통모양이며, 상기 전원공급부의 외주에는 유전체가 감싸지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전원공급부 전극과 접지전극은 상기 가스챔버 내측에서 챔버의 길이방향을 따라 상호 평행하게 이격 설치되며 상기 전원공급부 전극 및 상기 접지전극의 외주에는 유전체가 감싸지도록 하여 상기의 목적을 달성할 수도 있다.

또한 상기 유전체에는 다수의 구멍이 형성되도록 구성할 수 있다.

또한 본 고안은 상기의 목적을 달성하기 위하여 상부전극, 상부전극에 부착되는 유전체, 하부전극, 하부전극에 부착되는 유전체 및 전원으로 구성되는 상압플라즈마장치에 있어서, 상기 상부전극에 부착되는 유전체에 전극표면과 수직방향으로 다수 개의 모세관 구멍이 형성되고 상기 모세관 구멍은 중간부분이 꺽이도록 구성할 수도 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하 도면에서는 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면번호를 부여하였다.

도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 단면도이고, 도 4는 본 고안의 일실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 사시도이다.

도면들에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 고안의 일실시예는 가스챔버(10)와 가스공급관(50)과 이동수단(90)과 전원공급부 전극(30)과 전원부(80)와 접지전극(30a)과 접지부로 구성된다.

상기 가스챔버(10)는 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 가스분사부(40)가 형성되어 상기 가스분사부(40)를 통하여 방전에 의하여 발생된 플라즈마를 이동수단(90)에 놓여진 반도체 웨이퍼 및 디스플레이 판넬 등의 표면처리 대상(A)에 분사해 준다.

상기 가스공급관(50)은 상기 가스챔버(10)보다 반지름이 작은 원통형의 튜브모양으로 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되는 가스 공급을 위한 가스공급공(60)을 갖는다.

상기 가스공급공(60)을 통하여 플라즈마 발생에 필요한 가스를 가스챔버 내에 균일하게 분사해 준다.

상기 전원공급부 전극(30)은 그 외주면에 유전체(20)가 감싸지며 전원부(80)는 전원공급부 전극(30)을 통하여 방전을 위한 교류전원으로서 주파수가 수 kHz ~ 수백 kHz인 고전압의 전원이 공급된다.

본 고안의 일실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 동작을 설명하면, 가스공급관(50)을 통하여 흡입된 가스가 가스공급공(60)을 통해 가스챔버(10) 내로 분사되면 전극(30)을 통해 고전압이 인가되고 상기 가스의 방전과 함께 플라즈마가 발생된다. 발생된 플라즈마는 가스챔버(10)의 가스분사부(40)를 통하여 이동수단(90) 상단의 표면처리 대상(A)에 분사되어 세정 또는 표면처리가 이루어지게 된다.

도 5는 본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 단면도이고, 도 6은 본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치의 사시도이다.

도 5 및 도 6의 본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치는 상기의 일실시예와 유사한 구성을 하고 있으나, 전극부분에 있어서 상기의 일실시예와 다른 구조를 갖는다.

상기의 일실시예에서는 전원공급부 전극만이 가스챔버의 내부에 위치하고 접지전극은 가스챔버의 외부에 위치하였으나, 본 고안의 다른 실시예서는 전원공급부 전극과 접지전극을 모두 가스챔버 내부에 위치시켰다는 점이 특징이다.

또한, 상기의 일실시예에서와 달리 전원공급부 전극과 접지전극 모두 그 외주면에 절연체로 감싸지도록 하여 구성된다.

본 고안의 다른 실시예에 따른 상압플라즈마 장치의 동작은 상기의 일실시예에서와 동일하다. 즉, 가스공급관(50)을 통하여 흡입된 가스가 가스공급공(60)을 통해 가스챔버(10) 내로 분사되면 전극(30c)을 통해 고전압이 인가되고 상기 가스의 방전과 함께 플라즈마가 발생된다. 발생된 플라즈마는 가스챔버(10)의 가스분사부(40)를 통하여 이동수단(90) 상단의 표면처리 대상(A)에 분사되어 세정 또는 표면처리가 이루어지게 된다.

도 7은 본 고안에 따른 플라즈마장치의 단면도이고, 도 8은 본 고안에 따른 플라즈마장치의 사시도이다.

도 7 및 8에 따르면, 고안에 따른 플라즈마장치는 상부전극(100), 상부전극에 부착되는 유전체(120), 하부전극(110), 하부전극에 부착되는 유전체(130), 전원공급부(150) 및 접지부로 구성되며, 상기 상부전극에 부착되는 유전체에 전극표면과 수직방향으로 다수 개의 모세관 구멍(140)이 형성되고 상기 모세관 구멍(140)은 중간부분이 꺽이도록 구성된다.

본 고안의 목적인 금속전극의 방전가스에 대한 노출을 제한하여 안정적인 플라즈마를 발생시키는 장치의 제공을 위하여 종래의 유전체에 다공성 전극을 이용하는 플라즈마 장치에 있어서 구멍의 모양이 유전체의 중간부분에서 꺽어지도록 하여 구성한 것이다.

상기와 같은 본 고안에 따른 플라즈마장치에 의하면, 도 2에서와 같은 종래의 플라즈마장치에서 상부전극과 하부전극이 서로 마주보도록 노출되어 있어서, 아크(arc) 및 실 모양의(filamentary) 형태로 플라즈마가 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 전극이 직접적으로 노출되지 않도록 한쪽 전극측의 유전체에만 모세관 구멍을 형성시키고, 유전체판에 형성되는 모세관 구멍을 유전체의 중간부분에서 꺽이도록 하여 전류의 제한길이를 증가시켜 안정적인 플라즈마 발생이 가능하게 한다.

이상에서 구체적인 실시예를 들어 본 고안을 설명하였으나, 본 고안이 상기의 실시예에만 국한되는 것은 아니며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 고안의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설계 변경이나 회피설계를 한다 해도 본 고안의 범위 안에 있다 할 것이다.

본 고안의 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치에 따르면, 아크형태의 플라즈마가 발생하는 것을 방지하기 위하여 원형 또는 사각형태의 챔버를 사용함으로써 헬륨(He) 등의 방전가스의 잔류 시간을 증가시켜 방전가스의 소비량을 줄이는 효과가 있으므로 방전가스의 소비량을 줄일 수 있다.

또한, 종래의 직선으로 된 유전체판의 모세관 구멍을 꺽인 형태로 구성함으로써 전류를 제한하여 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 결과적으로 높은 입력전압형태에서도 전류 제한폭이 커져서 안정적이고 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Claims (9)

1. 플라즈마를 이용한 표면처리장치에 있어서,

   방전가스 수용공간을 형성하며 가스분사부를 갖는 밀폐된 중공체의 가스챔버와;

   외부로부터의 방전가스를 상기 가스챔버 내부로 공급하는 가스공급관과;

   상기 챔버 내부에 전류를 공급하여 방전현상에 의해 플라즈마가 발생하도록 하는 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가스챔버는 절연성질을 갖는 유전체이고 소정의 길이를 갖는 원통형 또는 사각형의 튜브모양이며 상기 가스분사부는 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가스공급관은 절연성질을 갖는 유전체이고 소정의 길이를 가지며 상기 가스챔버보다 반지름이 작은 원통형의 튜브모양이며 챔버의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되는 가스 공급을 위한 가스공급공을 갖는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 전원공급부 전극과 접지전극으로 구성되고,상기 전원공급부 전극은 상기 가스챔버 내측 하부 영역에 챔버의 길이방향을 따라 평행하게 위치하며,

   상기 접지전극은 이동수단의 하부에 부착되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전원공급부 전극은 원통모양이며,

   상기 전원공급부의 외주에는 유전체가 감싸지는 것을 특징으로 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 전원공급부 전극과 접지전극은 상기 가스챔버 내측에서 챔버의 길이방향을 따라 상호 평행하게 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 전원공급부 전극 및 상기 접지전극의 외주에는 유전체가 감싸지는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
8. 제 5항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 유전체에는 다수의 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.
9. 상부전극, 상부전극에 부착되는 유전체, 하부전극, 하부전극에 부착되는 유전체 및 전원으로 구성되는 상압플라즈마장치에 있어서,

   상기 상부전극에 부착되는 유전체에 전극표면과 수직방향으로 다수 개의 모세관 구멍이 형성되고 상기 모세관 구멍은 중간부분이 꺽이도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상압플라즈마를 이용한 표면처리장치.